Pobierz pdf - Prószyński i S-ka

Pytanie o życie
W serii ukazały się:
w 2013 roku:
Lisa Randall
Paul Davies
Leon Lederman
Christopher Hill
Frank Close
Stephen Oppenheimer Bruce Rosenblum
Pukając do nieba bram. Jak fizyka pomaga zrozumieć wszechświat
Milczenie gwiazd. Poszukiwania pozaziemskiej inteligencji
Zrozumieć niepojęte. Fizyka kwantowa i rzeczywistość
Zagadka nieskończoności.
Kwantowa teoria pola na tropach porządku Wszechświata
Pożegnanie z Afryką. Jak człowiek zaludniał świat…
Zagadka teorii kwantów. Zmagania fizyki ze świadomością
w 2014 roku:
Lawrence M. Krauss
Jim Baggott
Caleb Scharf
Sean Carroll
Alfred S. Posamentier
Ingmar Lehmann
Wszechświat z niczego. Dlaczego istnieje raczej coś niż nic
Higgs. Odkrycie boskiej cząstki
Silniki grawitacji. Jak czarne dziury rządzą galaktykami i gwiazdami
Cząstka na końcu Wszechświata. Bozon Higgsa i nowa wizja rzeczywistości
Niezwykłe liczby Fibonacciego. Piękno natury i potęga matematyki
w 2015 roku:
Jim Baggott
Lee Smolin
Max Tegmark
Leon Lederman
Christopher Hill
Svante Pääbo
Tim Spektor
Pożegnanie z rzeczywistością.
Jak współczesna fizyka odchodzi od poszukiwania naukowej prawdy
Czas odrodzony. Od kryzysu w fizyce do przyszłości Wszechświata
Nasz matematyczny wszechświat.
W poszukiwaniu prawdziwej natury rzeczywistości
Dalej niż boska cząstka
Neandertalczyk. W poszukiwaniu zaginionych genomów
Jednakowo odmienni. Dlaczego możemy zmieniać swoje geny
Nick Lane
Pytanie o życie
Energia, ewolucja i pochodzenie życia
Przełożył
Adam Tuz
Tytuł oryginału
the vital question
Why is Life the Way it is?
Copyright © Nick Lane, 2015
First published in Great Britain in 2015 by PROFILE BOOKS LTD
All rights reserved
Projekt okładki
Prószyński Media
Ilustracja na okładce
© Science Photo Library/Indigo Images
Redaktor serii
Adrian Markowski
Redakcja
Adam Wawrzyński
Korekta
Anna Kaniewska
Łamanie
Jacek Kucharski
ISBN 978-83-8069-275-6
Warszawa 2016
Wydawca
Prószyński Media Sp. z o.o.
02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28
www.proszynski.pl
Druk i oprawa
OPOLGRAF Spółka Akcyjna
45-085 Opole, ul. Niedziałkowskiego 8–12
Spis treści
Wstęp:
Dlaczego życie toczy się właśnie tak?. . . . . . . . . . . . . . . . 9
Część I Problem
Rozdział 1 Czym jest życie?
Rozdział 2 Czym jest proces życia?
. . . . . . . . . . . . . . . 31
. . . . . . . . . . . . . . . 73
Część II Źródło życia
Rozdział 3 Energia u źródła życia
Rozdział 4 Pojawienie się komórek
. . . . . . . . . . . . . . 117
. . . . . . . . . . . . . . 157
Część III Złożoność
Rozdział 5 Powstanie komórek złożonych
Rozdział 6 Płeć i pochodzenie śmierci
. . . . . . . . . . . . . . 199
. . . . . . . . . . . . . . 242
Część IV Prognozy
Rozdział 7 Potęga i chwała
Epilog:
Wieści z morskiej głębi
. . . . . . . . . . . . . . 299
. . . . . . . . . . . . . . 353
Słownik
Podziękowania
Bibliografia
Spis ilustracji
Indeks
. . . . . . . . . . . . . . 366
. . . . . . . . . . . . . . 376
. . . . . . . . . . . . . . 384
. . . . . . . . . . . . . . 422
. . . . . . . . . . . . . . 427
Poświęcam Anie,
mojej inspiracji i towarzyszce
w tej czarodziejskiej podróży
Wstęp
Dlaczego życie toczy się właśnie tak?
W samym sercu biologii zieje czarna dziura. Szczerze mówiąc, nie wiemy,
dlaczego życie toczy się właśnie tak, jak to się dzieje. Wszystkie złożone
formy życia na Ziemi mają wspólnego przodka: komórkę, która rozwinęła się z prostych bakteryjnych poprzedników 4 miliardy lat temu.
Zdarzyło się to tylko raz. Czy był to naprawdę niezwykły przypadek,
a może inne „eksperymenty” w ewolucji złożonych organizmów poniosły
fiasko? Nie wiadomo. Wiemy natomiast, że ów wspólny przodek już był
komórką o bardzo złożonej budowie. Odznaczał się mniej więcej takim
samym stopniem zaawansowania jak komórki ludzkie i przekazał ogromną złożoność struktury nie tylko nam, lecz także wszystkim potomnym
organizmom, od drzew aż do pszczół. Spójrzmy pod mikroskopem na
jedną z naszych komórek i spróbujmy ją odróżnić od komórek grzyba.
Dostrzeżemy, że praktycznie są one identyczne. Znacząco różnimy się
trybem życia od grzybów, skąd zatem tak duże podobieństwo naszych
komórek? Nie chodzi tylko o podobny wygląd. Wszystkie złożone formy
życia dzielą zdumiewający spis skomplikowanych cech: od płci przez
zaprogramowane samobójstwo komórek aż do zmian powstających
wskutek starzenia się organizmu, nieobecnych w porównywalnej postaci
u bakterii. Nie ma zgodnego stanowiska co do przyczyn nagromadzenia
się tylu niepowtarzalnych cech u tego jedynego przodka; podobnie
jak nie rozstrzygnięto, dlaczego żadna z tych cech nie rozwinęła się
niezależnie w ewolucji bakterii. Skoro wszystkie wspomniane cechy
10
Pytanie o życie
powstały na drodze doboru naturalnego, na której każdy krok przynosi
drobny postęp, dlaczego podobne nie pojawiły się kiedy indziej także
u innych grup bakterii?
Takie pytania podkreślają osobliwy przebieg ewolucji życia na Ziemi.
Życie powstało około pół miliarda lat po utworzeniu się naszej planety,
prawdopodobnie 4 miliardy lat temu, po czym utknęło na typowym dla
bakterii poziomie złożoności na przeszło 2 miliardy lat – połowę okresu
istnienia Ziemi. Bakterie w istocie przez całe 4 miliardy lat zachowały
prostotę morfologii (choć nie biochemii). Kontrastują z nimi wszystkie
organizmy o złożonej budowie – rośliny, zwierzęta, grzyby, wodorosty
i jednokomórkowe protisty, takie jak ameby – które 1,5–2 miliardy lat
temu wzięły swój początek od tamtego pojedynczego przodka. Ów przodek był wyraźnie „nowoczesną” komórką o wyrafinowanej strukturze
wewnętrznej i bezprecedensowej dynamice cząsteczkowej, kontrolowanej
przez skomplikowane białkowe nanomaszyny zakodowane w tysiącach
genów, w większości nieznanych w świecie bakterii. Nie ma ewolucyjnych
form pośrednich, żadnych „brakujących ogniw” wskazujących sposób
i przyczynę powstania tych złożonych cech – tylko niewyjaśniona pustka między morfologiczną prostotą bakterii i fantastyczną złożonością
wszystkich pozostałych organizmów. Ewolucyjna czarna dziura.
Wydajemy rokrocznie miliardy dolarów na badania biomedyczne,
wynajdując odpowiedzi na niewyobrażalnie skomplikowane pytania
o przyczyny chorób. Szczegółowo zgłębiamy relacje łączące geny i białka,
dociekamy złożoności sieci regulacyjnych. Opracowujemy wymyślne modele matematyczne i projektujemy komputerowe symulacje, w których
testujemy nasze przewidywania. A jednak wciąż nie wiemy, jak przebiegała ewolucja podstawowych części składowych naszych organizmów!
Jak mamy uchwycić istotę choroby, skoro nie mamy pojęcia, dlaczego
komórki działają tak, a nie inaczej? Nie da się zrozumieć społeczeństwa
bez znajomości jego historii. Nie zrozumiemy również funkcjonowania
komórki, o ile się nie dowiemy, jak przebiegała jej ewolucja. To nie
jest wyłącznie kwestia o znaczeniu praktycznym. To ludzkie pytania
Dlaczego życie toczy się właśnie tak?
11
o przyczynę naszego istnienia. Jakie reguły zrodziły Wszechświat, gwiazdy, Słońce, Ziemię i samo życie? Czy te same prawidła zrodzą je w innym
obszarze kosmosu? Czy kosmiczne formy życia pod jakimś względem
przypominałyby nas? Takie metafizyczne pytania tworzą samo sedno
naszego człowieczeństwa. Około 350 lat od odkrycia komórek nadal
nie wiemy, dlaczego historia życia na Ziemi potoczyła się akurat w taki
sposób.
Mogliście nie dostrzec naszej niewiedzy. To nie wasza wina. Podręczniki i czasopisma pękają w szwach od informacji, ale często nie
odnoszą się do tych „dziecinnych” pytań. Internet zasypuje nas bezkrytycznie przytaczanymi faktami wymieszanymi w rozmaitych proporcjach z nonsensami. Jednak nie chodzi tylko o nadmiar informacji.
Niewielu biologów wyraźniej uświadamia sobie istnienie czarnej dziury
w samym środku dziedziny nauki, którą się zajmują. Większość pracuje nad innymi zagadnieniami. Przeważająca część z nich bada duże
organizmy, wybrane grupy roślin lub zwierząt. Stosunkowo niewielu
pracuje nad mikroorganizmami, a jeszcze mniej liczni zgłębiają wczesne
stadia ewolucji komórek. Jest też sprawa kreacjonistów i „inteligentnego
projektu” – stwierdzenie, że nie znamy wszystkich odpowiedzi, otwiera
pole sceptykom zaprzeczającym, iż dysponujemy jakimikolwiek ważkimi
argumentami dowodzącymi prawdziwości teorii ewolucji. Oczywiście,
że dysponujemy. Wiemy o niej strasznie dużo. Hipotezy dotyczące początków życia i wczesnego stadium ewolucji komórek muszą wyjaśniać
całą encyklopedię faktów, wpasować się w ciasny gorset wiedzy, a także
przewidzieć nieoczekiwane relacje, które dają się empirycznie zbadać.
Bardzo wiele wiemy o doborze naturalnym i pewnych bardziej przypadkowych procesach kształtujących genomy. Wszystko to potwierdza
ewolucję komórek. Jednak przymus pozostawania w ciasnym gorsecie
faktów tworzy inny problem. Nie wiemy, dlaczego ewolucja życia obrała
akurat taki kurs, jaki obrała.
Naukowcy to ciekawscy ludzie i gdyby ten problem rysował się tak
jaskrawo, jak to przedstawiam, zostałby już pewnie dobrze zgłębiony.
12
Pytanie o życie
Jednak tak naprawdę daleko mu do oczywistości. Rozmaite konkurujące
ze sobą odpowiedzi brzmią tajemniczo, a wszystkie tylko zaciemniają
istotę pytania. Ponadto wskazówki do rozwiązania tego problemu pochodzą z wielu zasadniczo odmiennych dyscyplin nauki: biochemii,
geologii, filogenetyki, ekologii, chemii oraz kosmologii. Niewielu może
przypisywać sobie prawdziwe obeznanie ze wszystkimi powyższymi
dziedzinami wiedzy. Obecnie zaś trwa jeszcze rewolucja w genomice.
Odczytaliśmy już tysiące kompletnych sekwencji genomu, odcinków
liter alfabetu DNA liczonych w miliony lub miliardy, i nazbyt często
zawierających sprzeczne sygnały z odległej przeszłości. Interpretowanie
tych danych wymaga rygorystycznej znajomości logiki, technik obliczeniowych i statystyki; wszelkie wiadomości z zakresu biologii stanowią
dodatkowy atut. Trwają spory, sytuacja stale się zmienia, ale wyraźny
obraz przysłaniają kłębiące się chmury. Kiedy tylko pojawi się w nich
jakaś przerwa, odsłania się coraz bardziej surrealistyczny krajobraz. To,
co do niedawna wydawało się krzepiąco pewne, rozwiało się niczym
dym. Stoimy w obliczu całkiem nowego obrazu, zarazem prawdziwego
i niepokojącego. Ale dla badacza poszukującego nowego i znaczącego
problemu do rozwiązania to wspaniała okazja! Oto największe zagadki
biologii wciąż oczekują na rozwikłanie. Niniejsza książka to moja osobista próba zapoczątkowania tego przedsięwzięcia.
Jaki jest związek między bakteriami a złożonymi formami życia?
Korzenie tego pytania sięgają aż do lat siedemdziesiątych XVII wieku,
kiedy Antonie van Leeuwenhoek, holenderski badacz posługujący się
mikroskopem, odkrył mikroorganizmy. Dość trudno było współczesnym
dać wiarę w opisywaną przezeń menażerię „małych żyjątek”, bytującą
pod mikroskopem, lecz wkrótce jej istnienie potwierdził równie pomysłowy Robert Hooke. Leeuwenhoek zwrócił nawet uwagę na bakterie
i opisał je w słynnej publikacji z 1677 roku jako „niewiarygodnie małe;
powiem nawet, że na moje oko tak drobne, iż w mojej ocenie nawet sto
tych maleńkich żyjątek, ułożonych jedno przy drugim, nie dorównałoby
długości ziarna grubego piasku. Jeśli zaś to prawda, wówczas i milion
Dlaczego życie toczy się właśnie tak?
13
owych stworzeń ledwie mogłoby się równać z ogromem ziarna grubego
piasku”. Wielu wątpiło, czy Leeuwenhoek za pomocą swoich prostych
mikroskopów z pojedynczą soczewką mógł dojrzeć bakterie, choć obecnie uznaje się to za niezaprzeczalny fakt. Świadczą o tym dwie kwestie.
Leeuwenhoek znajdował bakterie wszędzie – w deszczówce i wodzie
morskiej, nie tylko na swoich zębach. Intuicyjnie odróżniał wspomniane
„maleńkie żyjątka” od „gigantycznych potworów” – mikroskopijnych
protistów! – odznaczających się fascynującym zachowaniem i wyposażonych w „małe odnóża” (rzęski). Dostrzegł nawet, że niektóre większe
komórki są zbudowane z wielu drobnych „kulek”, które porównywał
do bakterii (choć nie w takich słowach). Wśród owych drobnych kulek
Leeuwenhoek prawie na pewno widział jądro komórkowe – skarbnicę
genów we wszystkich komórkach o złożonej strukturze. Taki stan rzeczy
trwał kilka stuleci. Słynny twórca systemu klasyfikacji organizmów
Karol Linneusz pięćdziesiąt lat po odkryciach Leeuwenhoeka po prostu
wrzucił wszystkie mikroorganizmy do jednego rodzaju Chaos (bezkształtne), należącego do typu Vermes (robaki). W XIX wieku wielki
niemiecki ewolucjonista Ernst Haeckel, żyjący w czasach Darwina,
ponownie sformalizował głębokie rozgraniczenie, oddzielając bakterie
od pozostałych drobnoustrojów. Jednak pod względem pojęciowym
niewiele się zmieniło aż do połowy XX wieku.
Ujednolicenie biochemii doprowadziło do nowych rozstrzygnięć.
Ze względu na wirtuozerię swojego metabolizmu bakterie wydawały
się niemożliwe do sklasyfikowania. Mogą rosnąć we wszystkich środowiskach: od betonu przez kwas zawarty w akumulatorach aż po gazy.
Skoro te całkowicie odmienne sposoby bytowania nie łączy nic wspólnego, to jak można bakterie klasyfikować? A jeśli tego nie da się zrobić,
jak mamy je zrozumieć? Podobnie jak układ okresowy pierwiastków
nadał spójność chemii, tak samo biochemia wniosła porządek do badań
nad ewolucją komórek. Kolejny Holender, Albert Kluyver, wykazał, że
niezwykłe zróżnicowanie form życia opiera się na podobnych procesach
biochemicznych. Takie procesy jak oddychanie, fermentacja i fotosynteza
14
Pytanie o życie
mają wspólną podstawę – a ich koncepcyjna spójność potwierdza pochodzenie wszystkich form życia od wspólnego przodka. Na tym poziomie
to, co odnosi się do bakterii, tak samo odnosi się do słoni – stwierdził.
Gdy zwrócić uwagę na biochemię, granica między bakteriami a komórkami o złożonej budowie zaledwie się zaznacza. Bakterie są o wiele
wszechstronniejsze, lecz podstawowe procesy życiowe przebiegają u nich
podobnie. Student Kluyvera Cornelis van Niel oraz Roger Stanier być
może najściślej zdali sobie sprawę z tej różnicy. Bakterie, stwierdzili,
podobnie jak atomy nie dają się już rozbijać na mniejsze cząstki – są
najmniejszymi jednostkami funkcjonalnymi. Wiele bakterii oddycha
tlenem tak jak my, lecz każda z nich robi to jako całość. W odróżnieniu
od komórek naszych organizmów bakterie nie mają wyspecjalizowanych,
oddzielnych struktur przeznaczonych do oddychania. Rozmnażają się
przez podział, lecz pod względem funkcji są niepodzielne.
Wówczas nadeszła pierwsza z trzech rewolucji, które w ostatnim
półwieczu wywróciły do góry nogami obowiązujące dotąd poglądy na to,
czym właściwie jest życie. Tę pierwszą wszczęła Lynn Margulis w czasie
„lata miłości” w 1967 roku. Argumentowała, że ewolucja złożonych
komórek nie przebiegała według „standardowego” doboru naturalnego,
lecz w orgii współpracy, w którą komórki angażowały się tak ściśle, iż
nawet wnikały sobie nawzajem do wnętrza. Symbioza to długotrwała
interakcja dwóch lub więcej gatunków, zwykle polegająca na jakiejś wymianie „artykułów” bądź usług. U mikroorganizmów takimi artykułami są potrzebne do życia substancje, substraty metabolizmu, zasilające
procesy życiowe komórek. Margulis miała na myśli endosymbiozę – ten
sam rodzaj wymiany, lecz wiążący współpracujące komórki tak ściśle, że
niektóre fizycznie bytują we wnętrzu komórki gospodarza jak handlarze
prowadzący sprzedaż we wnętrzu świątyni. Tego typu pomysły, które
narodziły się na początku XX wieku, zaskakująco wiele łączy z historią
narodzin teorii tektoniki płyt. Afryka i Ameryka Południowa „wyglądają”, jakby były niegdyś połączone, później zaś się rozdzieliły, jednak to
„dziecinne” twierdzenie długo wyśmiewano jako absurdalne. Podobnie
Dlaczego życie toczy się właśnie tak?
15
niektóre struktury wewnątrz komórek o złożonej budowie wyglądają jak
bakterie, a nawet sprawiają wrażenie, że rosną i ulegają niezależnym podziałom. Być może wyjaśnienie naprawdę jest aż tak proste – to bakterie!
Takie hipotezy, podobnie jak tektonika płyt, wyprzedzały swój
czas i dopiero w erze biologii molekularnej – w latach sześćdziesiątych
XX wieku – można było przedstawić przekonujące argumenty. Margulis
uczyniła to w odniesieniu do dwóch wyspecjalizowanych struktur wewnątrzkomórkowych: mitochondriów, ośrodków oddychania, spalających z udziałem tlenu składniki odżywcze i dostarczających tym samym
energii potrzebnej do życia, oraz chloroplastów, roślinnych motorów
fotosyntezy, przekształcających energię słoneczną w chemiczną. Obie
wymienione organelle (dosłownie „miniaturowe organy”, czyli narządy)
zachowały własne niewielkie, wyspecjalizowane genomy zawierające
garść genów kodujących najwyżej kilkadziesiąt białek uczestniczących
w mechanizmach oddychania komórkowego lub fotosyntezy. Dokładne
ustalenie sekwencji tych genów ostatecznie wyjaśniło zagadkę – mitochondria i chloroplasty rzeczywiście pochodzą od bakterii. Należy
jednak zauważyć, że używam słowa „pochodzą”. Nie są już bakteriami
i nie przejawiają żadnego do nich podobieństwa, gdyż ogromna większość genów (około 1500) potrzebnych do ich istnienia znajduje się
w jądrze komórkowym, genetycznym „ośrodku sterowania” komórką.
Margulis miała słuszność co do mitochondriów i chloroplastów;
do lat osiemdziesiątych XX wieku pozostało niewielu takich, którzy
żywili w tej kwestii wątpliwości. Tymczasem badaczka przystąpiła do
realizacji znacznie większego przedsięwzięcia. Uznała, że cała komórka
o złożonej budowie (czyli komórka eukariotyczna, od greckiego „prawdziwe jądro”) stanowi zbiór związków symbiotycznych. Według niej
wiele innych elementów złożonych komórek, zwłaszcza rzęski (opisywane przez Leeuwenhoeka „małe odnóża”), również wywodziło się
od bakterii (w wypadku rzęsek były to krętki). Margulis przyjęła, że
w przeszłości musiało dojść do całej serii następujących po sobie fuzji
organizmów; badaczka sformalizowała ten pogląd w postaci „teorii
16
Pytanie o życie
seryjnej endosymbiozy”. Nie tylko pojedyncze komórki, lecz cały świat
powstał jako olbrzymia, wspólna sieć bakteryjna – „Gaja”. Pionierem tej
idei stał się James Lovelock. O ile koncepcja Gai w ostatnich latach cieszy
się renesansem w bardziej formalnej postaci „nauki o Ziemi” (odartej
z oryginalnej teleologii Lovelocka), o tyle pogląd, że złożone komórki
„eukariotyczne” są zbiorem bakterii, jest gorzej uzasadniony. Większość
struktur komórki nie sprawia wyglądem wrażenia, jakoby pochodziły
od bakterii, genetyka także na to nie wskazuje. Tak więc Margulis miała
rację w niektórych sprawach, w innych zaś prawie na pewno się myliła.
Jej wojowniczy duch, zaciekły feminizm, lekceważenie darwinowskiej
koncepcji konkurencji i skłonność do wiary w teorie spiskowe sprawiły,
że po przedwczesnej śmierci badaczki na udar mózgu w 2011 roku pozostało po niej zdecydowanie niejednoznaczne dziedzictwo. Jedni mieli
ją za bohaterkę feminizmu, inni za osobę nieobliczalną. To smutne, że
większość jej spuścizny ma niewiele wspólnego z nauką.
Rewolucja numer dwa dotyczyła filogenetyki molekularnej – nauki o pochodzeniu genów. Jej nadejście Francis Crick przewidywał już
w 1958 roku. Z charakterystyczną dlań pewnością siebie pisał: „Biolodzy
powinni sobie uświadomić, że niedługo będziemy mieli nowy przedmiot, który można by nazwać »taksonomią białek« – polegający na
badaniu sekwencji tworzących białka aminokwasów i porównywaniu
ich u różnych gatunków. Można argumentować, że owe sekwencje to
najczulszy sposób oceny ekspresji fenotypu danego organizmu i że może
się w nich kryć olbrzymie bogactwo informacji na temat ewolucji”. I oto
się stało. Biologia korzysta obecnie całymi garściami z danych ukrytych
w sekwencjach białek i genów. Nie porównujemy już bezpośrednio
sekwencji aminokwasów, lecz sekwencje liter DNA (kodujące budowę
białek), co daje jeszcze większą czułość badań. Jednak mimo całego
wizjonerstwa Cricka ani on, ani nikt inny w tym czasie nie domyślał
się jeszcze, jakie sekrety wyjdą na jaw dzięki badaniom genów.
Jednym z okrytych bitewnymi bliznami rewolucjonistów był Carl
Woese. Swoje prace rozpoczął bez rozgłosu w latach sześćdziesiątych
Dlaczego życie toczy się właśnie tak?
17
XX wieku; pierwsze ich owoce pojawiły się jednak dopiero po dziesięcioleciu. Woese postanowił wybrać pojedynczy gen, a następnie porównać
go u poszczególnych gatunków. Oczywiście ów gen musiał u wszystkich
tych gatunków występować. Co więcej, musiał służyć do tego samego
celu. Cel powinien być na tyle podstawowy i ważny dla komórki, by
nawet niewielkie zmiany w sekwencji genu negatywnie wpływające na
jego funkcjonowanie były karane w toku doboru naturalnego. Krótko
mówiąc, gen ten musiał być stosunkowo niezmienny, a jego ewolucja
miała postępować w nadzwyczaj powolnym tempie. To konieczne, jeśli
chce się porównywać różnice między gatunkami gromadzące się przez
miliardy lat, a wszystko po to, by stworzyć obraz bujnego drzewa życia, cofając się aż do jego początków. A taka właśnie była skala ambicji
Carla Woese’a. Pamiętając o wszystkich powyższych wymogach, badacz
zwrócił się ku podstawowej właściwości wszystkich komórek: zdolności
do wytwarzania białek.
Synteza białek odbywa się dzięki rybosomom – niezwykłym nanomaszynom występującym we wszystkich komórkach. Oprócz kultowego
obrazu podwójnej spirali DNA nic nie symbolizuje lepiej informacyjnej
ery biologii niż rybosom. Jego budowa każe zwrócić uwagę na jeszcze
jedną rzecz – trudną do ogarnięcia ludzkim umysłem, lecz mającą związek ze skalą. Rybosom jest niewyobrażalnie mały. Już komórki mają
mikroskopijne rozmiary. Przez większość historii naszego gatunku nie
mieliśmy pojęcia o ich istnieniu. Rybosomy zaś są od nich mniejsze
o kilka rzędów wielkości. W jednej komórce wątroby mamy ich 13 milionów. Natomiast rybosomy odznaczają się nie tylko niesłychanie małymi
rozmiarami; w atomowej skali wielkości to masywne superstruktury
o zaawansowanej budowie. Na każdy z nich składa się mnóstwo istotnych
podjednostek, ruchomych części maszyny, działających z precyzją dalece
przewyższającą zautomatyzowaną linię produkcyjną. To nie przesada.
Rybosomy wciągają „taśmę dalekopisu” z kodowym zapisem budowy
białka, po czym precyzyjnie, litera po literze, dokonują translacji, zamieniając sekwencję zapisu kodowego w białko. W tym celu pobierają
18
Pytanie o życie
wszystkie potrzebne cegiełki (aminokwasy) i łączą je ze sobą w długi
łańcuch w kolejności określonej przez zapis kodowy. Współczynnik
błędu funkcji rybosomów wynosi mniej więcej jedną literę na 10 000
– o wiele mniej niż współczynnik wad w naszych procesach produkcyjnych wysokiej jakości. Rybosomy łączą ze sobą aminokwasy w tempie
około dziesięciu na sekundę, budując cząsteczki białek o łańcuchach
składających się z setek aminokwasów w ciągu niecałej minuty. Woese
wybrał jedną z podjednostek rybosomu – pojedynczą, by tak rzec, część
maszyny – i porównywał sekwencję kodującego jej fragment rRNA
u różnych gatunków: od bakterii, takich jak Escherichia coli, poprzez
drożdże aż do komórek ludzkich.
Jego odkrycia okazały się rewolucyjne, wywróciły dotychczasowy
obraz świata do góry nogami. Badacz bez trudu odróżniał komórki
bakterii i złożonych eukariontów, kreśląc rozgałęziające się drzewo pokrewieństwa genetycznego w obrębie obu tych arbitralnie wyznaczonych
grup oraz pomiędzy nimi. Zaskakujące były niewielkie różnice między
roślinami, zwierzętami i grzybami – grupami gatunków, na których
studiowaniu większość biologów spędza często prawie całe życie. Natomiast chyba nikt nie przewidywał odkrycia trzeciej domeny świata
żywego. Niektóre z tych prostych komórek znano od wieków, lecz brano
je mylnie za bakterie. Wyglądają jak bakterie: są równie małe i również
pozbawione dostrzegalnej struktury. Jednak różnica dotycząca rybosomów była niczym uśmiech kota z Cheshire, zdradzający nieobecność
całkiem innego rodzaju. Nowej grupie organizmów może brakowało
złożoności eukariontów, lecz ich geny i wytwarzane białka szokująco
różniły się od bakteryjnych. Ową drugą grupę prostych organizmów
jednokomórkowych nazwano archeonami (Archaea) na podstawie
przeczucia, że są jeszcze starsze niż bakterie, co jednak prawdopodobnie nie jest prawdą – według współczesnych poglądów obie grupy są
równe wiekiem. Jednak na tajemnym poziomie ich genów i biochemii
pomiędzy bakteriami i archeonami zieje równie szeroka przepaść jak ta
pomiędzy bakteriami i eukariontami (czyli nami). Niemal dosłownie. Na
Dlaczego życie toczy się właśnie tak?
19
słynnym drzewie trzech domen świata żywego Carla Woese’a archeony
i eukarionty to „siostrzane grupy”, mające w stosunkowo nieodległym
czasie wspólnego przodka.
Pod pewnymi względami archeony i eukarionty rzeczywiście mają
wiele wspólnego, szczególnie w przepływie informacji (sposobie odczytywania genów i syntezie białek). W gruncie rzeczy u archeonów
występuje kilka zaawansowanych „maszyn” molekularnych, przypominających struktury eukariontów, choć zbudowanych z mniejszej liczby
elementów – to zalążki eukariotycznej złożoności budowy. Woese nie
zgadzał się, że między bakteriami a eukariontami istnieje głęboka przepaść morfologiczna, lecz zaproponował wyodrębnienie trzech równorzędnych domen, z których każda w toku ewolucji zdobyła obszerne
królestwo, a żadnej nie można było przyznać prymatu nad pozostałymi.
Z największym naciskiem odrzucił dawną nazwę „prokarionty” (oznaczającą dosłownie organizmy „przed jądrem” i możliwą do zastosowania zarówno wobec archeonów, jak i bakterii), ponieważ żadne dane
zawarte w jego drzewie nie sugerowały jakichkolwiek genetycznych
podstaw do wyróżnienia takiej grupy. Przeciwnie, przedstawił wszystkie
trzy domeny jako sięgające swymi początkami najdalszej przeszłości,
wywodzące się od tajemniczego wspólnego przodka, z którego w jakiś
sposób się „wykrystalizowały”. Pod koniec życia Woese nabrał do owego
najwcześniejszego stadium ewolucji stosunku nieomal mistycznego
i nawoływał do przyjęcia bardziej całościowej wizji życia. Jak na ironię,
wszczęta przezeń rewolucja opierała się na całkowicie uproszczonej analizie pojedynczego genu. Bakterie, archeony i eukarionty niewątpliwie
są autentycznie odrębnymi grupami organizmów, a cała rewolucja była
słuszna. Jednak jego wezwania do całościowego rozpatrywania organizmów i pełnych genomów zapoczątkowują obecnie trzecią rewolucję
komórkową, która unieważnia jego własną.
Ta trzecia rewolucja jeszcze się nie zakończyła. Opiera się na nieco
subtelniejszym rozumowaniu, lecz spośród wszystkich trzech robi największe wrażenie. Jej korzenie tkwią w dwóch pierwszych rewolucjach,